燃气输配管网调峰过程的动态模拟分析_蒋洪

2011 年 第 6 期 Pipeline Technique and Equipment 2011 No. 6 收稿日期:2011 － 01 － 06 收修改稿日期:2011 － 06 － 23 燃气输配管网调峰过程的动态模拟 蒋 洪1，蒋俊杰1，李宏玉2 (1．西南石油大学，四川成都 610500;2．中国石油化工股份有限公司安徽安庆石油分公司，安徽安庆 246003) 摘要:介绍了燃气输配管网储存天然气的方法。利用末段管道和储气罐的储气技术，采用动态模 拟计算方法可以调整和优化设计，解决系统供需矛盾，向用户安全、稳定供气。输配管网的动态分析可 以对燃气输配管网进行实时的仿真模拟，对管网中管网结构、管径、储气方式及其组合进行有效的调 整，使管网运行参数最优。动态模拟方法是基于流体力学原理，用数学分析方法对输气管网系统运行 参数进行描述。结合实例，采用动态模拟方法计算了管网系统储气调峰能力，所得结果符合用户 用气的储气调峰要求。 关键词:燃气输配管网;末段管道;储气罐;动态模拟;储气调峰 中图分类号:TE8 文献标识码:A 文章编号:1004 － 9614(2011)06 － 0009 － 04 Dynamic Simulation Analysis of Peak-shaving Using Gas Transmission and Distribution Network JIANG Hong1，JIANG Jun-jie1，LI Hong-yu2 (1． Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China; 2． Anqing Oil Branch，China Petroleum ＆ Chemical Co．，Ltd．，Anqing 246003，China) Abstract:The paper concisely introduced methods of storing natural gas in gas transmission and distribution network． It also clarified the last paragraph of the long distance pipeline and the characteristics of the working gas tank． With a dynamic simula- tion method，the design can be adjusted and optimized． It solved the conflict between supply and demand for the user，and also could supply a secure，stable flow of gas． Dynamic analysis of the transmission and distribution network could help conduct real- time simulations． The structure，diameter，storage and combinative manner of the pipeline network are adjusted in an effective way to achieve the optimal pipe network parameters． Dynamic simulations are based on fluid mechanics． Using the mathematical analy- sis method，the pipline nework system operating parameters are described． In a practical project，dynamic simulations can help calculate the peak capacity of the gas pipeline system． The result has met the demands of storage and peak-shaving． Key words:gas transmission and distribution network;pipeline terminal;gas tank;dynamic simulation;storage and peak shaving 0 引言 随着城市规模的不断扩大，天然气进入城市后， 供气量迅速增加，而城市燃气用量随日、时的不均衡 性是不断变化的，特别是民用和商用气量的变化更明 显。为了解决均匀供气与不均匀用气之间的矛盾，并 保证用户总能得到足够流量和正常压力的燃气供应， 必需采取有效的调峰手段，使燃气输配系统供需平 衡。 在城市燃气管网设计中，根据用户用气量的变 化，考虑采用合适的储气调峰方式，以解决系统的供 需矛盾，满足调节用户用气不均衡的需要。而储气是 解决供气的均衡性和用气不均衡性之间矛盾的有效 方法。目前，广泛采用的储气方式有储气罐和输气管 道储气。据有关资料表明，输配管网的流动是不稳定 流动，根据储气调峰的特性，使用稳态估计方法不可 能可靠地评价实际调峰能力。而输配管网的动态分 析可以对燃气输配管网进行实时的仿真模拟，并对管 网中管网结构、管径、储气方式及其组合进行有效的 调整，达到管网运行参数最优，以便减少投资，实现良 好的经济性。 1 末段管道与储气罐的动态模型 储存天然气可以采用末段管道和储气罐 2 种方式 同时进行。在运行过程中，采用检测装置来保证储存 天然气和输送天然气运行的优化。末段管道是指最 后一个压气站到城市门站之间的输气管段，流动参数 受城市用气量波动影响大，离门站愈近，影响愈强烈。 10 Pipeline Technique and Equipment Nov. 2011 对管线而言，可以认为这一受用气负荷波动影响大的 管线段有储气能力。储气罐对保证向用户正常供气 起着决定性的作用，主要考虑的是储存量。储气罐作 为主要的调峰设备，对调峰的影响很大，因此在动态 模拟当中需要确定储气罐的容量、压力、温度的变化 参数，分析这些变化参数对储气罐的影响。根据以上 储气量的变化，分析在调峰过程中末端管道储气量和 储气罐的储气量是否满足调峰的要求。 城市燃气管网按压力一般分为 7 级，城市燃气管 网分级见表 1。大中型城市燃气管网的压力级别多为 一级或者二级，即由高压或者次高压构成城市燃气管 网的外环。高压和次高压管网不能深入市区，管网内 环可以采用中压。一般的小型城市可采用中压或者 低压管网。 表 1 城镇燃气管网分级 名称 压力 /MPa 高压燃气管道 A 2. 5 ＜ p≤4. 0 高压燃气管道 B 1. 6 ＜ p≤2． 5 次高压力燃气管道 A 0. 8 ＜ p≤1. 6 次高压力燃气管道 B 0. 4 ＜ p≤0. 8 中压燃气管道 A 0. 2 ＜ p≤0. 4 中压燃气管道 B 0. 01 ＜ p≤0. 2 低压燃气管道 ≤0. 01 燃气输配系统示意图如图 1 所示，可以根据实际 用户对燃气压力的要求对燃气管网进行合理选择。 图 1 燃气输配系统示意图 1． 1 燃气输配管网的动态模拟方程 燃气管道中的流动遵循一元不稳定流动模型，在 管道中反映气体流动的主要是流速、压力、密度、温 度、焓等物理量，这些物理量所遵循的关系有 2 类。一 类是自然界普遍规律得到的，一般是一些偏微分方 程，常称为基本方程;另一类是由理论分析或试验研 究得到的关系式，如气体状态方程、天然气物性与状 态参数之间的关系式。在此基础上，建立的连续性方 程、动量方程、能量守恒方程和实际气体状态方程描 述如下［1］: (1)连续性方程: ρ t + (ρw) x = 0 (1) 式中:ρ为气体密度;w为气体流速;t为时间;x 为管道 长度变量。 (2)动量方程: (ρw) t + (ρw 2) x + p x + λw 2 2D ρ + gρsinα1 = 0 (2) 式中:p为气体压力;λ 为摩阻系数;D 为管道内径;g 为当地重力加速度;α1 为管子与水平线间的夹角。 (3)能量守恒方程: (ρwh) x +  t ρ (u + w 2 2[ ]) + 4K(T － T01)D + gρwsinα1 = 0 (3) 式中:T01为气体初始温度;T 为气体温度;h 为比焓;u 为初始动量;K为一般系数。 (4)SBWR状态方程: p = ρRT + B0RT － A0 － C0 T2 + D0 T3 － E0 T( )4 ρ2 (+ bRT － a － d )T ρ3 + α a + d( )T ρ6 + cρ3T2(1 + γρ2)exp(－ γρ2) (4) 式中:R为气体常数;A0、a 为第一密度级数维里系数; B0、b为第二密度级数维里系数;C0、c为第三密度维里 系数;D0、d为第四密度级数维里系数;E0 为第五密度 级数维里系数;α、γ为第六密度级数维里系数。 (5)焓方程: h = h0 + B0RT － 2A0 － 4C0 T2 + 5D0 T3 － 6E0 T( )4 ρ + 1 2 2bRT － 3a － 4d( )T ρ2 + 15 α 6a + 7d( )T ρ5 + cγT [2 3 － 3 + γρ 2 2 － γ 2ρ( )4 exp(－ γρ2 ]) (5) 式中 h0 为理想气体的比焓。 1． 2 储气罐的动态模拟方程 (1)瞬态模拟过程储罐气体体积变化的计算式为 V(t) = V0 + ∫ t 0 QI + QE 2 dt (6) 式中:V(t)为 t时间下的储罐体积;V0 为 t = 0 时储气罐 内的气体容积;QI 为某一瞬时段的初始体积流量;QF 为某一瞬时段的最终体积流量。 第 6 期 蒋洪等:燃气输配管网调峰过程的动态模拟分析 11 (2)瞬态模拟过程储罐内的温度变化取决于环境 温度以及压力的改变。 某一时刻环境温度变化引起储罐内温度的变化 由式(7)计算: ρCV T t = － AVt1 Uk(T － TA) (7) 式中:Uk 为总传热系数;CV 为等容比热容;TA 为环境 温度;A为储罐表面积;Vt1为储罐体积。 某一时刻储罐内部压力变化绝热过程引起温变 由式(8)计算: dT = － pc · M ρ2 dρ (8) 式中:M为气体摩尔质量;c为比热容。 1． 3 长输末段管道的动态模拟方程 整个长输末段管道在某一瞬时储气能力由式(9) 计算［2 － 3］: Vt2 = ∫ l 0 πD2T02p(i，t) 4p0ZT(i，t) ddl (9) 式中:Vt2为某一瞬时末段管道的储气量;T02为基准状 态下的温度;p0 为基准状态下的压力;Z 为气体的压 缩系数;p(i，t)为某一瞬时 dl 段第 i点的压力;T(i，t)为某 一瞬时 dl 段第 i点的温度;l为管道的长度。 2 燃气输配管网动态模拟过程 动态模拟设计是对各种拟定进行不同运行 工况下的动态模拟，选取多种可行性方案进行比选， 从中确定一种安全可靠、操作性和适应性强、经济合 理的最优方案。 动态模拟设计的基本内容和步骤可归纳为以下 几点［4］: (1)根据上游来气条件、城市各类用户的用气规 律和管网的拟建条件，初步确定可能的管道长度、管 径及储气罐的组合方案。 (2)根据初步确定不同方案建立管道系统结构示 意图，输入计算的基础数据、边界条件、初始条件和约 束条件。其中，边界条件可采用设定门站压力，计算 在保证各类用户用气量的前提下管网最不利点的压 力，或设定门站流量、各类用户流量、管网最不利点的 压力，计算门站所需的最低进站压力。初始条件中调 压站和各类用户的流量一般采用平均小时流量，门站 进站流量应等于各类用户的用气量。 (3)进行稳态计算。稳态计算是为了确定在稳态 工况下的管道工艺数据，包括各管段的计算流量、压 力降、各节点的流量、压力、温度、气体的流向等，同时 根据计算结果判断初始条件和约束条件的设置是否 正确。稳态计算是动态模拟的前提和基础。并将稳 态模拟得到的计算结果，作为动态模拟的初始值，这 样可以提高动态模拟的计算精度和速度。 (4)进行动态模拟。在进行瞬态模拟前，需建立 动态模拟所需的数据文件。数据文件一般指各类用 户 24 h或 168 h压力、流量的变化数据，门站的压力、 流量数据，阀门、调压器等工艺设备的工作状态随时 间变化数据等。在进行数据输入时，要注意合理选择 动态模拟的起始点。在计算具有储气功能的高压管 道时，可选择管网用气高峰结束、低峰开始时管网压 力最低时刻作为计算的起点，或选择在管网用气低峰 结束、高峰开始时管网压力最高时刻作为计算的起点 进行动态模拟。对动态模拟的结果进行后期的分析， 并进行反复的调试，直到符合预期的要求。 (5)方案比选。对满足技术可行性的方案进行评 价，并结合工程的实际特点，从中选取技术可行、经济 合理的方案。 3 燃气管网动态模拟工程实例 以广西河池市的燃气输配管网结构为例，进行动 态模拟分析。图 2 为该管网的系统布置图，虚线框内 为动态模拟的范围。 图 2 广西河池市燃气输配系统示意图 该末段管道的线路总长为 20 km． 气源管道设计 压力为 2. 5 MPa，进站压力为 2. 4 MPa，次高压 B 级出 站压力为 0. 75 MPa，中压 A级出站压力为 0. 35 MPa． 气体密度为 0. 678 kg /m3，根据用气负荷情况和日、时 用气的不均匀性，确定气源供气量为 3. 0 × 105 m3 /d， 末站用气量绘制成图，见图 3。 3． 1 储气方案 燃气工程调峰方式拟采用高压球罐及气源管道 末段联合调峰的方式进行，球罐建在河池门站内。按 12 Pipeline Technique and Equipment Nov. 2011 照气源同期最大供气规模 3. 0 × 105 m3 /d 考虑计算， 调峰所需储气容积为16 350 m3，气源末段管道储气量 约为6 942 m3，储罐储气能力为9 408 m3 ． 末段管道的 工作压力为 2. 5 MPa，直径为 Φ219 × 6。球罐的体积 为1 000 m3，最高工作压力为 1. 54 MPa，最低工作压力 0. 4 MPa． 图 3 商业和民用的用气量变化图 3． 2 燃气管网动态模拟 根据图 2 的模型简化，应用管网 TGNET软件建立 燃气管网工程的动态模型。气源流量为 3. 0 × 105 m3 / d，模拟的周期为 7 × 24 h． 民用与商业用户用气量变 化幅度大，最高用气量为8 488. 39 m3 /h，最低用气量 为1 120. 24 m3 /h．储气罐体积和末端管道直径分别为 1 000 m3 和 200 mm． 3． 3 计算结果 采用 TGNET对广西河池市燃气管网调峰动态模 型进行动态模拟，运行输出结果表明: (1)储气罐各时刻的压力变化见图 4。由图 4 可 以看出，压力随用气量的周期性变化而变化，储气罐 的储气压力范围为 467 ～ 1 510 kPa，满足储气罐 400 ～ 1 540 kPa设计压力要求。 图 4 模型中储气罐的压力变化图 末段管道的压力变化见图 5。其压力变化亦随用 气量的周期性变化而变化，但变化趋势相反，并滞后 于用气量变化。末段管道的压力范围为 777 ～ 1 837 kPa． (2)储气量在一个周期的变化中出现高峰和低 图 5 模型中末段管道的压力变化图 谷，两者之差即为该储气罐的实际储气能力。储气罐 的储气量的变化规律见图 6，其储气量随用气量的周 期性变化而变化，由图 6 变化规律的数据可以得出储 气容积最大值为16 057 m3，最小值为6 131 m3，储气罐 的调峰量为9 926 m3 ． 图 6 模型中储气罐的储气量变化图 末段管道储气量的变化规律见图 7。其储气量亦 随用气量的周期性变化而变化，由变化规律的数据可 以得出储气容积最大值为13 930 m3，最小值为7 467 m3，其调峰量为6 463 m3 ． 图 7 模型中末段管道的储气量变化图 因此，储气罐和末端管道联合调峰的调峰量为 16 389 m3 ． 根据燃气管网在 2020 年所需调峰量为 16 350 m3 的设计要求，该管网设计基本满足燃气项目 调峰方案和设备参数要求。模型分析结果实现末段 管道与储气罐的联合调峰，共同解决燃气用户用气的 不均匀性问。 (下转第 15 页) 第 6 期 高建等:基于应变的悬空管道性能分析 15 图 3 所示。拉应变在跨越长度较小时增加较慢，但当 跨越长度达到一定值后迅速增加，且增加数倍以上， 这主要是由于自重与跨越长度较大时刚性不够，轴向 拉力成为结构主要受力形式，造成了拉应变的大幅增 加;随着跨越长度的增加，跨中管道曲率变化不大，压 应变增速放缓。 图 3 管道应变值随跨距的变化 安全分析以屈曲临界应变和拉压屈服应变的下 限值作为评估管线是否失效的依据，只要保证管线有 足够的延性，满足变形要求，就可以保证管线的安全 运行。这就是延性验算准则，应变不大于容许应变。 不同跨越长度下管道的出土端最大拉应变值和跨中 最大压应变值及允许应变值如表 1 所示。当跨距达到 50 m时，最大拉应变值达到 0. 006 15，超过允许值，管 道易发生破坏，应及时预防此种情况。 表 1 不同跨距管道受力安全性分析 L /m 管道最大 拉应变 允许 拉应变 管道最大 压应变 允许 压应变 20 2. 89 × 10 －7 0. 004 － 8. 73 × 10 －8 0. 005 30 3. 85 × 10 －4 0. 004 － 3. 53 × 10 －5 0. 005 40 6. 37 × 10 －4 0. 004 － 2. 36 × 10 －4 0. 005 50 6. 15 × 10 －3 0. 004 － 3. 84 × 10 －4 0. 005 4 结束语 基于应变的管道设计准则从提出以来就一直备 受关注，借鉴国外相关领域的建设经验，结合国内的 实际情况，深入研究基于应变的管道受力及安全分析 具有重要意义。悬空长度是影响管道受力及应变大 小的最敏感因素;随着悬跨长度的增加，管道的应变 值显著增大;当跨距达到一定值时，应变达到许用临 界值，管道容易失效。埋地管道悬空段所受应力情况 复杂，要真实描述管道应力 －应变情况，必须考虑管 道所受约束之间的相互关系。从应变分析角度得出 的结论对管道悬空下沉过程中的力学行为、管道的安 全状态分析具有切实的帮助。 参考文献: ［1］ 李鹤林，李霄，吉玲康，等．油气管道基于应变的设计及抗 大变形管线钢的开发与应用．焊管，2007，30(5) :5 － 10． ［2］ AARON S D，RAYMOND J S． Strain-based Pipeline Design Criteria Review ． Proceedings of the 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［5］ 黄葵，李丽．瞬态模拟计算在城市燃气高压管道设计的应 用．煤气与热力 2004，24(2) :88 － 90． 作者简介:蒋洪(1965—) ，副教授，硕士，主要从事油气储运工 程专业教学和科研工作。